АВТОМАТИЗАЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ ТОПЛИВНОЙ СИСТЕМЫ АВИАЦИОННЫХ ГАЗОТУРБИННЫХ СИЛОВЫХ УСТАНОВОК

Авиационные газотурбинные силовые установки (АГТСУ) современных летательных аппаратов достигли высокой ступени технического совершенства. Они позволяют получать при работе на расчетном режиме достаточную тягу (эквивалентную мощность) при относительно низких значениях удельной массы и удельного расхода топлива. Однако для усовершенствования характеристик силовых установок на нерасчетных режимах при различных окружающих условиях, а также по мере расширения диапазона скоростей и высот полета летательных аппаратов возникает потребность в управлении все большим числом параметров рабочего процесса, в усложнении программ управления (регулирования) и в повышении их точности. Успешное решение этих задач возможно только средствами автоматики, т.е. в результате использования систем автоматического управления (регулирования).

Система автоматического регулирования (САР) обеспечивает поддержание заданного режима работы двигателя при изменении внешних условий: высоты, скорости полета, температуры и давления окружающей среды. Благодаря этому пилот освобождается от необходимости поддержания заданного режима двигателя, существенно облегчается управление, увеличиваются надежность и экономичность двигателя. Кроме того, САР при задании нового режима обеспечивает его изменение по определенному закону регулирования.

Эксплуатационные условия работы системы автоматического регулирования двигателей внутреннего сгорания в основном определяются зависимостью динамических и статических характеристик двигателя от условий работы и характером изменения внешней нагрузки.

Развитие авиации тесно связано с расширением диапазона эксплуатационных высот и скоростей полета самолетов и вертолетов, с увеличением дальности полета. Но все эти достижения невозможны без совершенствования систем управления силовыми установками, что позволяет улучшать их экономические показатели, повышать надежность наряду с улучшением эффективности термодинамического цикла двигателей.

Топливная система обеспечивает размещение запаса топлива, необходимого для выполнения полета, и бесперебойную подачу его двигателям на всех режимах полета, предусмотренных ТЗ.

Топливную систему можно условно разделить на следующие взаимосвязанные подсистемы: топливные емкости (топливные баки, дренаж баков, системы перекачки топлива); система распределения топлива (системы заправки и подачи топлива к двигателям); слив топлива (аварийный слив в полете, слив на земле, слив конденсата); приборы и устройства контроля работы топливной системы.

Особый интерес для нас представляет система контроля работы топливной системы. Устройство позволяет проводить детальную проверку автоматики топливной системы непосредственно на летательном аппарате без выполнения сложных подготовительных операций, связанных с заправками-сливами топлива, в короткий срок.

Рассмотрим некоторые системы автоматического регулирования подачи топлива в топливных системах самолётов.

Известен способ замкнутого автоматического управления подачей топлива в основные камеры сгорания силовой установки летательного аппарата, в том числе газотурбинного двигателя самолета, при котором управление подачей топлива в основные камеры сгорания (ОКС) осуществляют по сигналу рассогласования фактического и заданного значений регулируемого параметра, характеризующего работу двигателя, например, датчика частоты вращения ротора компрессора до обнуления сигнала рассогласования. Такая система замкнутого регулирования имеет невысокое качество регулирования переходных процессов маневренного самолета, возникающих при резком изменении давления на входе в двигатель, а, значит, и расхода воздуха, сопровождающихся заметными «провалами» и «забросами» параметров ГТД. Такая система требует задания более высоких запасов газодинамической устойчивости и не использует весь потенциал двигателя.

В другой системе быстродействующий программный регулятор действует в соответствии со встроенной программой управления на переходных режимах приемистости ГТД. Он может обеспечивать закон (1):

                                                                                  (1)

где G_T - расход топлива, Р_K - давление воздуха за компрессором, n_K - текущая частота вращения ротора компрессора, Т_BX - температура воздуха на входе в двигатель, K - настроечный коэффициент. Такое управление осуществлено практически на всех современных авиационных ГТД. В такой системе подачей топлива управляют два параллельно воздействующих на топливный кран регулятора, один из которых работает по замкнутой схеме, обеспечивая установившейся режим, а другой быстродействующий программный регулятор обеспечивает закон управления на переходных режимах приемистости газотурбинного двигателя (ГТД). При этом программный регулятор настраивается на определённое значение G , превышающее на 20-40% потребное значение G на установившемся режиме, для обеспечения приемистости, и работает как ограничитель G. Одним из проблемных моментов управления подачей топлива в основные камеры сгорания ГТД маневренных самолетов является качество переходных процессов при резких изменениях давления воздуха на входе в двигатель (Р_ВХ), а значит и расхода воздуха, сопровождающихся заметными провалами и забросами параметров ГТД.

Наиболее оптимальным техническим решением является способ автоматического управления подачей топлива в основные камеры сгорания газотурбинного двигателя самолета, при котором выходные сигналы датчиков частоты вращения ротора и давления воздуха за компрессором поступают в систему управления, включающую замкнутую систему управления и быстродействующий программный регулятор. Замкнутая система управления обнуляет рассогласование между задаваемым значением n_kзад частоты ротора вращения и фактическим и обеспечивает устойчивый режим. Рассмотрим функциональную схему данной системы.

1 - элемент сравнения, 2 - блок формирования управляющего сигнала, 3 - узел автоматической настройки, 4 - программный регулятор, 5 - сервопоршень управления краном, 6 - дозирующий кран, 7 - датчик положения крана, 8 - датчик давления воздуха в двигателе, 9 - датчик частоты вращения ротора компрессора

Рисунок 1. Функциональная схема замкнутой системы

В устройстве автоматического управления подачей топлива в основные камеры сгорания газотурбинного двигателя самолета, содержащем элемент сравнения, один вход которого связан с датчиком параметра, определяющего работу двигателя, а другой служит для ввода заданного значения того же параметра, блок формирования управляющего сигнала, вход которого соединен с выходом элемента сравнения, программный регулятор для подачи топлива по давлению воздуха, один вход которого связан с датчиком давления воздуха, программный регулятор дополнительно снабжен узлом автоматической настройки для изменения программы соответственно рассогласованию, вход которого соединен с блоком формирования управляющего сигнала и является дополнительным входом в программный регулятор, при этом выход программного регулятора связан с приводом дозирующего механизма подачи топлива в основные камеры сгорания.

Такой подход позволяет снизить нагрузку на летчиков в процессе полета, уменьшить состав экипажа, повысить безопасность за счет исключения влияния человеческого фактора на работу различных подсистем самолета. В то же время такое построение системы увеличивает ответственность автоматического управления, так как экипаж не контролирует постоянно работу топливной системы. Одновременно повышаются требования к системе автоматического контроля, которая информирует пилота об отказах, дает рекомендации, ограничивающие режимы полета, или формирует сообщения о необходимости перехода на резервное (ручное) управление в случае отказа автоматики.

Успешное совершенствование авиационной техники возможно только при широком использовании новейших достижений в области автоматического управления. Объясняется это сложностью происходящих процессов, изменяющимися свойствами объектов управления в процессе полетов, а также необходимостью оптимизации процессов для получения нужных удельных параметров.

Список литературы:

1. Бесекерский В. А., Попов Е. П. Теория систем автоматического регулирования. Издание третье, исправленное. Москва, издательство «Наука», Главная редакция физико-математической литературы, 1975. - 429 с.
2. Основы теории автоматического управления. Учебное пособие. 2-е изд., перераб. и доп. Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2004. 352 с.
3. Рощин А.В. Основы теории автоматического управления: Учебное пособие. М.: МГУПИ, 2007. - 100 с.
4. Чепурных И. В., Чепурных С. А. Системы бортового оборудования самолётов и вертолётов. Топливная система и кабинное оборудование. Учебное пособие - Комсомольск-на-Амуре: ФГБОУ ВПО "КнАГТ", 2015. - 169 с.
5. Щербаков В.С., Руппель А.А., Глушец В.А. Основы моделирования систем автоматического регулирования и электротехнических систем в среде matlab и simulink. Учебное пособие. - Омск: Изд-во СибАДИ, 2003. - 160 с.